PROTEIINISYNTEESI: VAIHEET JA NIIDEN OMINAISUUDET - BIOLOGIA - 2025

Proteiinisynteesiä on biologinen tapahtuma, joka tapahtuu vuonna lähes kaikki elävät olennot. Solut ottavat jatkuvasti DNA: hon tallennetun tiedon ja muuntavat sen proteiinimolekyyleiksi erittäin monimutkaisten erikoistuneiden koneiden läsnäolon ansiosta.

DNA: han salattua 4-kirjaimista koodia ei kuitenkaan muunneta suoraan proteiineiksi. Välittäjänä toimiva RNA-molekyyli, nimeltään lähetti-RNA, on mukana prosessissa.

Proteiinisynteesi.

Lähde:

Kun solut tarvitsevat tietyn proteiinin, sopivan DNA-osan nukleotidisekvenssi kopioidaan RNA: hon - prosessissa, jota kutsutaan transkriptioksi - ja tämä puolestaan ​​transloidaan kyseiseen proteiiniin.

Kuvattu informaatiovirta (DNA viesti-RNA: ksi ja viesti RNA proteiineihin) tapahtuu hyvin yksinkertaisista olennoista, kuten bakteereista, ihmisille. Tätä vaiheiden sarjaa on kutsuttu biologian keskeiseksi "dogmaksi".

Proteiinien synteesistä vastaavat koneet ovat ribosomit. Nämä pienet solurakenteet löytyvät suurelta osin sytoplasmasta ja ankkuroituvat endoplasmiseen retikulumiin.

Mitä proteiinit ovat?

Proteiinit ovat makromolekyylejä, jotka koostuvat aminohapoista. Ne muodostavat lähes 80% koko dehydratoidun solun protoplasmasta. Kaikkia organismeja muodostavia proteiineja kutsutaan "proteomeiksi".

Sen toiminnot ovat moninaiset ja vaihtelevat rakenteellisista rooleista (kollageeni) kuljetukseen (hemoglobiini), katalyytteinä biokemiallisiin reaktioihin (entsyymit), suojautumiseen patogeenejä (vasta-aineita) vastaan.

On olemassa 20 tyyppiä luonnollisia aminohappoja, jotka yhdistetään peptidisidoksilla proteiinien muodostamiseksi. Jokaiselle aminohapolle on tunnusomaista, että sillä on tietty ryhmä, joka antaa sille erityiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet.

Vaiheet ja ominaisuudet

Tapa, jolla solu pystyy tulkitsemaan DNA-sanoman, tapahtuu kahden perustapahtuman kautta: transkriptio ja translaatio. Monet RNA: n kopiot, jotka on kopioitu samasta geenistä, kykenevät syntetisoimaan merkittävän määrän identtisiä proteiinimolekyylejä.

Jokainen geeni transkriptoidaan ja transloidaan eri tavalla, jolloin solu voi tuottaa vaihtelevia määriä monenlaisia ​​proteiineja. Tämä prosessi sisältää erilaisia ​​solun säätelyreittejä, joihin yleensä sisältyy RNA: n tuotannon hallinta.

Ensimmäinen vaihe, jonka solun on tehtävä aloittaakseen proteiinintuotannon, on lukea DNA-molekyyliin kirjoitettu viesti. Tämä molekyyli on universaali ja sisältää kaiken tarvittavan tiedon orgaanisten olentojen rakentamiseksi ja kehittämiseksi.

Seuraavaksi kuvaamme, kuinka proteiinisynteesi tapahtuu, aloittaen geneettisen materiaalin "lukemisen" prosessi ja päättyen proteiinien tuotantoon sinänsä.

Transkriptio: DNA: sta lähetti-RNA: han

DNA-kaksoiskierrellä oleva viesti on kirjoitettu nelikirjaimisena koodina, joka vastaa emäksiä adeniini (A), guaniini (G), sytosiini (C) ja tymiini (T).

Tämä DNA-kirjeiden sekvenssi toimii templaattina vastaavan RNA-molekyylin rakentamiseksi.

Sekä DNA että RNA ovat lineaarisia polymeerejä, jotka koostuvat nukleotideistä. Ne eroavat kuitenkin kemiallisesti kahdesta perustavanlaatuisesta näkökulmasta: RNA: n nukleotidit ovat ribonukleotidejä ja emäksisen tymiinin sijasta RNA: ssa on urasiili (U), joka parittuu adeniinin kanssa.

Transkriptioprosessi alkaa kaksoispiraalin avautumisella tietyllä alueella. Yksi kahdesta ketjusta toimii "templaattina" tai templaattina RNA-synteesille. Nukleotideja lisätään emäsparisääntöjen mukaisesti, C G: n kanssa ja A U: n kanssa.

Tärkein transkriptioon osallistuva entsyymi on RNA-polymeraasi. Se on vastuussa ketjun nukleotideihin liittyvien fosfodiesterisidosten muodostumisen katalysoinnista. Ketju jatkuu suuntaan 5 '- 3'.

Molekyylin kasvuun liittyy erilaisia ​​proteiineja, joita kutsutaan "pidentymistekijöiksi" ja jotka vastaavat polymeraasin sitoutumisen ylläpidosta prosessin loppuun saakka.

Messenger-RNA: n silmukointi

Lähde: BCSteve, kirjoittanut Wikimedia Commons. Eukaryooteissa geeneillä on tietty rakenne. Sekvenssin keskeyttävät elementit, jotka eivät ole osa proteiinia, joita kutsutaan introneiksi. Termi vastustaa eksonia, joka sisältää geenin osat, jotka transloidaan proteiineihin.

Silmukointi on perustapahtuma, joka koostuu lähettimolekyylin intronien eliminoinnista, jotta saadaan pelkästään eksonien rakentama molekyyli. Lopputuote on kypsä lähetti-RNA. Fyysisesti se tapahtuu splitsosomissa, monimutkaisessa ja dynaamisessa koneessa.

Silmukoinnin lisäksi Messenger-RNA käy läpi lisäkoodauksia ennen kääntämistä. Lisätään "huppu", jonka kemiallinen luonne on modifioitu guaniininukleotidi, ja sen 5'-päässä ja useiden adeniinien häntä toisessa päässä.

RNA-tyypit

Solussa tuotetaan erityyppisiä RNA: ta. Jotkut solun geenit tuottavat lähetti-RNA-molekyylin ja tämä muuntuu proteiiniksi - kuten näemme myöhemmin. On kuitenkin geenejä, joiden lopputuotteena on itse RNA-molekyyli.

Esimerkiksi hiivagenomissa noin 10%: lla hiivageeneistä on RNA-molekyylejä lopputuotteena. On tärkeää mainita ne, koska näillä molekyyleillä on keskeinen rooli proteiinisynteesissä.

- Ribosomaalinen RNA: ribosomaalinen RNA on osa ribosomien sydäntä, avainrakenteita proteiinien synteesille.

Lähde: Jane Richardson (Dcrjsr), Wikimedia Commonsista. Ribosomaalisten RNA: ien prosessointi ja niiden myöhempi kokoonpano ribosomiksi tapahtuu ytimen hyvin näkyvässä rakenteessa - vaikka se ei olekaan membraanin rajoittama - nimeltään ydinosa.

- Siirto-RNA: se toimii adapterina, joka valitsee tietyn aminohapon ja sisällyttää yhdessä ribosomin kanssa aminohappotähteen proteiiniin. Jokainen aminohappo liittyy siirto- RNA-molekyyliin.

Eukaryooteissa on kolmen tyyppisiä polymeraaseja, jotka, vaikka rakenteellisesti hyvin samankaltaiset toisiinsa, pelaavat erilaisia ​​rooleja.

RNA-polymeraasi I ja III transkriptoivat geenejä, jotka koodaavat RNA: n, ribosomaalisen RNA: n ja joidenkin pienten RNA: ien siirtoa varten. RNA-polymeraasi II kohdistuu proteiineja koodaavien geenien translaatioon.

- Pienet RNA: t, jotka liittyvät säätelyyn: Muut lyhyet RNA: t osallistuvat geeniekspression säätelyyn. Näitä ovat mikroRNA: t ja pienet häiritsevät RNA: t.

MikroRNA: t säätelevät ekspressiota estämällä tietty viesti, ja pienet häiritsevät sulkevat ekspression suorassa kuljetuksen pilaantumisen kautta. Samoin on pieniä ydin-RNA: ita, jotka osallistuvat lähetti-RNA: n silmukointiprosessiin.

Käännös: Messenger-RNA: sta proteiineihin

Kun lähetti-RNA kypsyy silmukointiprosessin läpi ja kulkee ytimestä solusytoplasmaan, proteiinisynteesi alkaa. Tätä vientiä välittää ydinhuokoskompleksi - ydinmembraanissa sijaitseva vesikanavien sarja, joka yhdistää suoraan sytoplasman ja nukleoplasman.

Käytämme arjessa termiä "käännös" sanojen muuntamiseksi kielestä toiseen.

Voimme esimerkiksi kääntää kirjan englannista espanjaan. Molekyylitasolla translaatio sisältää muutoksen kielestä RNA: ksi proteiiniksi. Tarkemmin sanottuna se on muutos nukleotideistä aminohapoiksi. Mutta miten tämä murremuutos tapahtuu?

Geneettinen koodi

Geenin nukleotidisekvenssi voidaan muuttaa proteiineiksi noudattaen geneettisen koodin vahvistamia sääntöjä. Tämä purettiin 1960-luvun alkupuolella.

Kuten lukija voi päätellä, translaatio ei voi olla yksi tai yksi, koska siellä on vain 4 nukleotidia ja 20 aminohappoa. Logiikka on seuraava: Kolmen nukleotidin liitos tunnetaan "kolmoisiksi" ja ne liittyvät tiettyyn aminohappoon.

Koska mahdollisia triplettejä voi olla 64 (4 x 4 x 4 = 64), geneettinen koodi on tarpeeton. Eli samaa aminohappoa koodaa useampi kuin yksi tripletti.

Geneettisen koodin esiintyminen on yleistä, ja sitä käyttävät kaikki elävät organismit, jotka nykyään asuvat maapallolla. Tämä laaja käyttö on yksi luonnon silmiinpistävimmistä molekyylihomologioista.

Aminohapon kytkentä RNA: n siirtämiseen

Messenger-RNA-molekyylissä löydetyillä kodoneilla tai kolmoisilla ei ole kykyä tunnistaa suoraan aminohappoja. Sen sijaan lähetti-RNA: n translaatio riippuu molekyylistä, joka kykenee tunnistamaan ja sitoutumaan kodoniin ja aminohappoon. Tämä molekyyli on siirto-RNA.

Siirto-RNA voi taittua monimutkaiseksi kolmiulotteiseksi rakenteeksi, joka muistuttaa apilaa. Tässä molekyylissä on alue, jota kutsutaan "antikodoniksi" ja jonka muodostavat kolme peräkkäistä nukleotidia, jotka muodostavat parin lähetti-RNA-ketjun peräkkäisten komplementaaristen nukleotidien kanssa.

Kuten edellisessä osassa mainitsimme, geneettinen koodi on tarpeeton, joten joillakin aminohapoilla on enemmän kuin yksi siirto-RNA.

Oikean aminohapon havaitseminen ja fuusio siirto RNA: han on entsyymin välittämä menetelmä, jota kutsutaan aminoasyyli-tRNA-syntetaasiksi. Tämä entsyymi on vastuussa molempien molekyylien kytkemisestä kovalenttisen sidoksen kautta.

RNA-viesti dekoodataan ribosomeilla

Proteiinin muodostamiseksi aminohapot kytketään toisiinsa peptidisidosten kautta. Messenger-RNA: n lukemisprosessi ja spesifisten aminohappojen sitoutuminen tapahtuu ribosomeissa.

ribosomit

Ribosomit ovat katalyyttisiä komplekseja, jotka koostuvat yli 50 proteiinimolekyylistä ja erityyppisistä ribosomaalista RNA: ta. Eukaryoottisissa organismeissa keskimääräinen solu sisältää keskimäärin miljoonia ribosomeja sytoplasmisessa ympäristössä.

Rakenteellisesti ribosomi koostuu suuresta ja pienestä alayksiköstä. Pienen osan tehtävänä on varmistaa, että siirto-RNA on pariksi oikein parittaja-RNA: n kanssa, kun taas suuri alayksikkö katalysoi peptidisidoksen muodostumista aminohappojen välillä.

Kun synteesiprosessi ei ole aktiivinen, ribosomien muodostavat kaksi alayksikköä erotetaan. Synteesin alussa lähetti-RNA liittyy molempiin alayksiköihin, yleensä lähellä 5'-päätä.

Tässä prosessissa polypeptidiketjun pidentyminen tapahtuu lisäämällä uusi aminohappotähde seuraavissa vaiheissa: siirto-RNA: n sitominen, peptidisidoksen muodostuminen, alayksiköiden translokaatio. Tämän viimeisen vaiheen tuloksena on koko ribosomin liike ja uusi sykli alkaa.

Polypeptidiketjun pidentyminen

Ribosomeissa erotellaan kolme kohtaa: kohta E, P ja A (katso pääkuva). Pidennysprosessi alkaa, kun jotkut aminohapot on jo kytketty kovalenttisesti ja P-kohdassa on siirto-RNA-molekyyli.

Siirto-RNA, jolla on seuraava sisällytettävä aminohappo, sitoutuu kohtaan A emäsparien muodossa lähetti-RNA: n kanssa. Sitten peptidin karboksyylipäätteinen osa vapautetaan siirto-RNA: sta P-kohdassa hajottamalla korkean energian sidos siirto-RNA: n ja sen kantaman aminohapon välillä.

Vapaa aminohappo kiinnittyy ketjuun ja muodostuu uusi peptidisidos. Keskeistä reaktiota tässä koko prosessissa välittää entsyymipeptidyylitransferaasi, jota löytyy ribosomien suuresta alayksiköstä. Siten ribosomi kulkee lähetti-RNA: n läpi kääntäen murre aminohapoista proteiineihin.

Kuten transkriptio, myös pidentymistekijät ovat mukana proteiinin translaation aikana. Nämä elementit lisäävät prosessin nopeutta ja tehokkuutta.

Viimeistelen käännös

Translaatioprosessi päättyy, kun ribosomi kohtaa lopetuskodonit: UAA, UAG tai UGA. Mikään siirto-RNA ei tunnista näitä eikä sido mitään aminohappoja.

Tällä hetkellä vapautumistekijöinä tunnetut proteiinit sitoutuvat ribosomiin ja aiheuttavat vesimolekyylin, ei aminohapon, katalyytin. Tämä reaktio vapauttaa terminaalisen karboksyylipään. Lopuksi peptidiketju vapautetaan solusytoplasmaan.

Viitteet

1. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. (2002). Biokemia. 5. painos. New York: WH Freeman.
2. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Kutsu biologiaan. Panamerican Medical Ed.
3. Darnell, JE, Lodish, HF, & Baltimore, D. (1990). Molekyylisolubiologia. New York: Tieteelliset amerikkalaiset kirjat.
4. Hall, JE (2015). Guytonin ja Hallin lääketieteellisen fysiologian e-kirja. Elsevier terveystieteet.
5. Lewin, B. (1993). geenejä Volume 1. Käännä.
6. Lodish, H. (2005). Solu- ja molekyylibiologia. Panamerican Medical Ed.
7. Ramakrishnan, V. (2002). Ribosomien rakenne ja translaatiomekanismi. Cell, 108 (4), 557 - 572.
8. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Johdatus mikrobiologiaan. Panamerican Medical Ed.
9. Wilson, DN, ja Cate, JHD (2012). Eukaryoottisen ribosomin rakenne ja toiminta. Cold Spring Harbor -perspektiivit biologiassa, 4 (5), a011536.